陳雅波 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

塑料制品在上世紀(jì)五十年代就被廣泛運用在包裝行業(yè)中。經(jīng)過多年發(fā)展，在同傳統(tǒng)包裝材料之間的競爭中，塑料包裝材料取得卓著的成績，其發(fā)展速度是傳統(tǒng)包裝材料所望塵莫及的。就應(yīng)用量而言，塑料包裝材料已超過木材、玻璃、金屬等包裝材料居于第二位，僅次于紙及紙板。而塑料包裝箱及容器制造行業(yè)是我國包裝行業(yè)中兼具規(guī)模突出、增長較快兩個特征的子行業(yè)，塑料容器尤其是在發(fā)達(dá)國家中占包裝容器的比重同樣越來越大。塑料容器的歷史不長，但發(fā)展迅速，其具有物美價廉，加工簡便、質(zhì)量輕便等優(yōu)勢，擁有長遠(yuǎn)的研究價值與市場。

一、塑料包裝容器的分類

一般來說，凡由塑料制造的可用于包裝的各種容器均應(yīng)屬塑料包裝容器，但由于袋類包裝材料（柔性塑料容器）與普通容器（剛性塑料容器如塑料瓶）在形態(tài)、制造方法與使用特點上，存在著顯著差異，因此常不將袋類包裝材料列入塑料包裝容器之列。

應(yīng)用較多的典型塑料包裝容器主要包括中空容器，周轉(zhuǎn)箱、鈣塑瓦楞箱、片材熱成型容器等幾個大類。當(dāng)然還可進(jìn)一步作更詳細(xì)的分類，例如中空容器可按成型方法分為吹塑容器、滾塑容器、板材焊制容器等。吹塑容器中又有擠出吹塑容器與注射吹塑容器；根據(jù)吹塑成型時，是否經(jīng)過拉伸定向處理，吹塑容器又可分為拉伸吹塑容器和非拉伸吹塑容器；根據(jù)吹塑容器壁的構(gòu)造，吹塑容器又可分為單層容器與多層容器等。

按照容器材質(zhì)來分的話主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、尼龍（PA）、聚偏二氯乙烯（PVDC）和丙烯睛-丁二烯-苯乙烯（ABS）等容器。

表1 塑料容器的材質(zhì)優(yōu)缺點與應(yīng)用

不同塑料容器根據(jù)其材質(zhì)優(yōu)缺點能適用于不同領(lǐng)域[1][2]（見表1）。

二、塑料包裝容器的成型設(shè)計

1. 塑料包裝容器的成型

塑料包裝容器通常采用熱成型方式[3][4]。熱成型是將熱塑性片材加熱到玻璃化溫度以上（即塑料處于高彈態(tài)狀態(tài)下），使用抽真空、通入壓縮空氣（有些在柱塞的輔助下），使片材在模具內(nèi)成型的方法。

塑料容器各成型方式的原理及特點見表2。

2. 塑料容器的模具設(shè)計

模具材料的選擇主要分為非金屬和金屬兩類。常見的非金屬模有木模、石膏模和塑料模。其中木模的生產(chǎn)批量小，而石膏模強度比較差，但塑料模具備容易加工，生產(chǎn)周期較短。修正和修理方便，耐腐蝕與質(zhì)量輕的優(yōu)點，適合于批量較大的容器生產(chǎn)。常用塑料模材料有環(huán)氯樹脂、酚醛樹脂和聚脂。金屬模則適合于長期、高速生產(chǎn)的模具。因為鋁比較容易加工且質(zhì)量輕，耐腐蝕性強，價格相對便宜，所以大批量生產(chǎn)時大多選用鋁模。

模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個因素[5]：

（1）抽氣孔的大小和位置。抽氣孔大小要合適，這與塑料流動性、片材厚度等有關(guān)，可參考表3。

（2）型腔尺寸。對于一些真空成型模來講，要考慮其塑料的收縮率，可參考表4。

（3）模具圓角和斜度。很多模具在生產(chǎn)出來的時候都會存在邊角，為使制品能方便的取出，陰模型腔側(cè)壁的斜度應(yīng)取0.5°-3°，通常取2°為宜，而對于陽模的斜度則應(yīng)取2°-5°，通常取5°。

（4）型腔粗糙度。如果真空成型模具表面粗糙度太高，就會對脫模造成很大的影響。這是由于真空成型模具一般都沒有頂出的裝置，只能靠壓縮空氣來進(jìn)行脫模。

（5）壓縮空氣成型模型腔。壓縮空氣成型模具的型腔與真空成型模具的型腔基本相同，其主要的特點是在模具邊緣上設(shè)置型刃。

（6）邊緣密封結(jié)構(gòu)。為了阻止外面的空氣進(jìn)入到真空室，應(yīng)該在塑料板片與模具接觸部分的邊緣處設(shè)置必要密封裝置。

（7）加熱、冷卻裝置。目前塑料成型板片的加熱一般采用電阻絲加熱、紅外線燈加熱和石英管加熱器加熱。

表2 塑料容器成型方式的原理及特點

表3 片材所需抽氣孔尺寸

表4 塑件收縮率

3. 塑料容器的設(shè)計要點

塑料中空容器設(shè)計時需要考慮的問題有吹脹比、延伸比、瓶體各部結(jié)構(gòu)、螺紋、圓角和外表面等。隨著產(chǎn)品儲存運輸需求的不斷增加，對于塑料中空容器的結(jié)構(gòu)性能有更加嚴(yán)格的要求，因此合理的設(shè)計有助于降低用料， 節(jié)約成本的同時保證良好的結(jié)構(gòu)性能。

（1）容器壁厚。塑料包裝容器的壁厚設(shè)計十分重要，它根據(jù)容器的用途、強度、配合、結(jié)構(gòu)和重量的要求以及成型時的流動性、變形、硬化、頂出方式等情況來決定，尤其是要決定能滿足性能要求的最經(jīng)濟(jì)的壁厚。

表5 容器壁厚的尺寸選擇[6]

（2）脫模斜度。塑料在冷卻時的收縮，會使塑料成型品緊包在陽?；蛐托旧?。為了方便塑件脫模，與脫模方向平行的塑件表面，都應(yīng)具有合理的脫模斜度。一般情況下，沿脫模方向常用斜度為0.5′到1.5′之間。

（3）外觀結(jié)構(gòu)。某些塑料包裝容器需要在其表面上設(shè)計符號、文字或是花紋，在進(jìn)行這些內(nèi)容的設(shè)計時，一般采用凹凸兩種形式。如在塑料包裝容器表面上設(shè)計凸形文字，那么文字凸出高度不應(yīng)小于0.2 mm，兩線間距不少于0.4 mm；凹凸字邊框可比文字字體高出0.3 mm 以上；字體和符號的脫模斜度大于10′。

（4）考慮塑料的特性，如機(jī)械性能，熱特性，電特性，化學(xué)特性，光學(xué)特性，其他特性，包括收縮性、比重、流動性、著色性、適印性等；成型性，如成型條件，包括成型溫度、成型壓力、成型周期；外觀質(zhì)量，包括微孔、裂痕、灼傷等；變形性，包括變形后加工及矯正措施等；模具加工，包括模具材料，模具的切削加工性能，模具加工方法諸因素；模具結(jié)構(gòu)，包括分型面，鍍塊結(jié)合線，澆口位置，頂出方法等；容器使用條件必須考慮內(nèi)裝物性質(zhì)，使用目的、性能，及使用狀態(tài)（溫度、濕度、載荷等）；經(jīng)濟(jì)性包括成本、價值觀、促銷能力、消費者能夠接受的程度等。

（5）外形及重量設(shè)計。在進(jìn)行塑料包裝容器設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)其的用途、使用要求等合理設(shè)計容器外形以及重量。一般來說，塑料包裝容器的外形應(yīng)盡可能接近矩形或是橢圓形，這是因為采用矩形或橢圓形時能夠使用較少的材料吹制出容積較大的容器，同時容器的結(jié)構(gòu)合理、外形美觀、性能優(yōu)良。如將塑料包裝容器設(shè)計成圓形時，這樣就省去了許多棱角、轉(zhuǎn)角以及平面轉(zhuǎn)折，使瓶底的受力強度大大增加，容器的耐用性提升。

4. 塑料容器軟件輔助設(shè)計

計算機(jī)軟件輔助是工程案例設(shè)計分析中的常用手段，Pro/Engineer(（簡稱Pro/E）是美國PTC公司的一個三維CAD/CAM軟件系統(tǒng)，具備產(chǎn)品的三維模型設(shè)計、加工、分析及繪圖等多方面功能，其所有模塊互相連接，在設(shè)計產(chǎn)品的過程中，如果對任何一個環(huán)節(jié)的尺寸進(jìn)行修改的話，其相關(guān)的零件圖、裝配圖、制造等模式下的模型也隨之改變，避免了反復(fù)修改。該軟件以其使用方便、參數(shù)化造型和系統(tǒng)的全相關(guān)性而著稱。以蜂蜜瓶為例，Pro/E在剛性塑料包裝容器設(shè)計中的零件設(shè)計、裝配、建立二維工程圖以及模具設(shè)計等功能，并且表明Pro/E在剛性塑料包裝容器及其模具設(shè)計中具有很強的優(yōu)越性[7]。

圖1 蜂蜜瓶三維裝配效果蜂蜜瓶瓶身開模模擬

賈娟娟等[8]采用三維設(shè)計軟件Pro/E完成了模具成型零部件的設(shè)計，推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計和總裝配設(shè)計。對提高組合型腔注射模設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性有一定的參考價值。并進(jìn)一步采用模流分析軟件Moldflow，確定了包裝盒組合型腔注射成型時的進(jìn)膠點數(shù)及具體進(jìn)膠位置，通過充填質(zhì)量分析，改進(jìn)了澆口的尺寸，實現(xiàn)了澆注系統(tǒng)的平衡澆注。

圖2 改進(jìn)澆口尺寸后填充分析（a）與產(chǎn)品（b）

承善等[9]提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強度分析方法，以更合理精確地分析計算吹塑件的結(jié)構(gòu)強度。此方法將吹塑成型與結(jié)構(gòu)分析順序耦合：應(yīng)用Abaqus/Explicit對塑料圓管進(jìn)行吹塑成型模擬，獲得吹塑件的形狀和非均勻厚度以及殘余應(yīng)力，然后將吹塑成型件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中，并將非均勻厚度場和殘余應(yīng)力場映射到該吹塑件分析模型上，進(jìn)行強度分析，評估其結(jié)構(gòu)強度性能。以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料瓶為例，應(yīng)用上述方法對吹塑成型的塑料瓶進(jìn)行精確結(jié)構(gòu)強度分析，能夠指導(dǎo)塑料瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝參數(shù)設(shè)置。

圖3 非均勻厚度塑料瓶的應(yīng)力分布

三、塑料包裝容器的質(zhì)量檢測

塑料容器的質(zhì)量檢測十分重要。市場中存在許多劣質(zhì)塑料包裝材料，特別是食品包裝塑料，大都具有包裝外表的迷惑性、標(biāo)示內(nèi)容的欺騙性、視覺效果的欺詐性，價格低廉等特點。然而由于塑料易帶電，這會造成包裝表面被微生物及雜質(zhì)污染，進(jìn)而污染包裝食品。塑料制品中未聚合的游離單體及其塑料制品的降解產(chǎn)物向食品遷移，這些游離單體及降解產(chǎn)物中有的會對人體健康造成嚴(yán)重危害，如PS中殘留物質(zhì)苯乙烯、乙苯、異丙苯、甲苯等揮發(fā)物質(zhì)等有一定毒性，能引起急性中毒癥狀，同時可出現(xiàn)頭痛、疲乏、惡心、嘔吐等癥狀。聚氯乙烯中單體氯乙烯有麻醉作川，引起人體四肢血管收縮而產(chǎn)十疼痛感，同時還具有致癌、致畸作用。而快餐盒中的快餐包裝盒里的增塑劑會嚴(yán)重干擾人體內(nèi)分泌，可能破壞生殖系統(tǒng)健康導(dǎo)致不孕，還可能增加患自閉癥或哮喘的風(fēng)險。一次性餐具，PVC保鮮膜，釉上彩陶瓷餐具，仿瓷餐具，華麗的月餅托盤等存在著重金屬或是增塑劑。

對于不同的塑料包裝容器具有不同的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)，比如對低密度聚乙烯藥用滴眼劑瓶質(zhì)量狀況分析，需考慮工藝的可控性、產(chǎn)品的安全性、阻隔性和與藥物的相容性[10]。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面應(yīng)規(guī)范樣品名稱，增加修訂試驗方法，提高限度要求，建立統(tǒng)一的紅外對照圖譜；企業(yè)監(jiān)管方面應(yīng)規(guī)范生產(chǎn)，嚴(yán)格控制配方與工藝的一致性，加強相容性研究。國內(nèi)外對遷移試驗的研究主要集中于食品及其包裝容器的有毒有害物質(zhì)的遷移，對于化妝品包裝的研究非常少，至于化妝品與塑料容器的相容性、安全性評價的研究成果更是鮮有提及。向斌等[11]針對3種不同塑料材質(zhì)的包裝容器（PE、PP和PET），通過設(shè)置不同儲存溫度和儲存時間，初步研究化妝品與塑料容器間析出物遷移規(guī)律。

四、塑料容器的發(fā)展趨勢

1. 輕量化

輕量化是現(xiàn)在消費者對于塑料容器的普遍要求。實現(xiàn)輕量化一是改良現(xiàn)用包裝材料，通過一定的技術(shù)及方法來提升現(xiàn)用材料的性能，減少現(xiàn)用材料使用量，如茂金屬聚烯烴、雙峰聚乙烯、高熔體強度聚丙烯等新品種，可以采用較少的原料、較薄的厚度制得與普通塑料同規(guī)定、同強度的塑料包裝薄膜、片材和容器等。二是薄壁減量法，通過對包裝尺寸的優(yōu)化，不僅能保證或提升包裝強度，又能減少材料的使用量，實行包裝減量化，如可口可樂輕量化瓶比傳統(tǒng)的瓶節(jié)約PET材料35%，其輕量瓶瓶壁大概只有0.1 mm厚度。

2. 可回收或可降解

塑料材料的回收復(fù)用是大勢所趨，什么樣的回收塑料可以再次用于食品包裝，如何用于食品包裝，都是有待解決的問題。例如國外己經(jīng)開始大量使用回收的樹脂作為瓶的芯層料使用，但是目前中國還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。比較而言，回收作為夾層材料使用，衛(wèi)生安全性有保障，但需要較大的設(shè)備投資，中國企業(yè)很少使用：反而是大量不法企業(yè)把回收材料當(dāng)成新材料或摻混在新料中生產(chǎn)食品包裝制品，造成安全隱患。

綠色包裝材料通常分為三大類：可回收處理再造材料、可降解回歸自然的材料、可焚燒回收利用能源而又不污染大氣的材料。塑料因為質(zhì)輕、價廉的優(yōu)勢在包裝中的應(yīng)用越來越廣泛，目前市場的大部分商品使用都是塑料類的包裝材料。瓶裝水大部分采用PET作為包裝材料，PP和PC因其耐高溫性能比較優(yōu)良，是許多杯瓶的材料。用這些材料制成的杯子既質(zhì)輕易攜帶，又不容易打碎，是現(xiàn)在人們出行的首選。在眾多的發(fā)泡材料中，乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚乙烯化學(xué)交聯(lián)高發(fā)泡材料（PEF）是近年來新發(fā)展起來的新型環(huán)保材料；其緩沖隔震性能好，韌性強、隔熱防潮、耐腐蝕、無毒、成型加工容易。并且EVA在自然條件下可降解，產(chǎn)物對環(huán)境無污染，是典型的綠色塑料包裝材料[12]。

3. 美觀性

獨特的包裝容器造型往往對消費者具有較強的吸引力。通過獨特的容器造型設(shè)計，產(chǎn)品與包裝就產(chǎn)生了微妙的協(xié)同效應(yīng)，同時創(chuàng)造性地反映了產(chǎn)品的個性與特點。

設(shè)計包裝容器時，首先要讓容器的基本功能得到滿足，然后再設(shè)計造型，造型設(shè)計中要充分體現(xiàn)材料的質(zhì)感和加工工藝的美感，而且是要符合美的法則的，并且要迎合大眾的審美，有必要的話，還要充分考慮到地域特色和文化，針對不同層次文化、地域的人群去設(shè)計一些容器，從而設(shè)計出讓人賞心悅目的造型。但包裝容器一定要具備三個基本的功能即保護(hù)、儲存和運輸。否則對于消費者來說，則只是虛有其表的一件擺設(shè)，還損害了消費者的利益，甚至可能危害消費者，違背了設(shè)計要為人服務(wù)首要目的[13]。

五、結(jié)語

塑料包裝容器在生活中多到隨處可見。當(dāng)前，塑料容器的設(shè)計、成型加工方式等技術(shù)都已比較成熟，人們提倡綠色消費，消費者的觀念影響著市場。環(huán)保理念的深入企業(yè)也向著綠色采購、綠色生產(chǎn)、綠色銷售的方向過渡。

目前綠色材料正處于研究階段，生產(chǎn)成本較高，國家可對綠色包裝企業(yè)實行一些優(yōu)惠政策，發(fā)揮政府的宏觀調(diào)控的經(jīng)濟(jì)功能，促進(jìn)綠色包裝的發(fā)展。整體來看，我國塑料包裝行業(yè)規(guī)模將保持小幅穩(wěn)定增長的趨勢。